Teste automatizado de compressão da lente ocular

Resumo

Apresentamos um método automatizado para caracterizar o módulo de elasticidade efetivo de uma lente ocular usando um teste de compressão.

Resumo

As propriedades biomecânicas da lente ocular são essenciais para sua função como elemento óptico de potência variável. Essas propriedades mudam drasticamente com a idade no cristalino humano, resultando em uma perda da visão de perto chamada presbiopia. No entanto, os mecanismos dessas alterações permanecem desconhecidos. A compressão da lente oferece um método relativamente simples para avaliar a rigidez biomecânica da lente em um sentido qualitativo e, quando associada a técnicas analíticas apropriadas, pode ajudar a quantificar as propriedades biomecânicas. Uma variedade de testes de compressão de lentes foi realizada até o momento, incluindo manual e automatizado, mas esses métodos aplicam de forma inconsistente aspectos importantes dos testes biomecânicos, como pré-condicionamento, taxas de carregamento e tempo entre as medições. Este artigo descreve um teste de compressão de lente totalmente automatizado em que um estágio motorizado é sincronizado com uma câmera para capturar a força, o deslocamento e a forma da lente através de um protocolo de carregamento pré-programado. Um módulo elástico característico pode então ser calculado a partir desses dados. Embora demonstrada aqui usando lentes suínas, a abordagem é apropriada para a compressão de lentes de qualquer espécie.

Introdução

A lente é o órgão transparente e flexível encontrado no olho que permite que ele se concentre em diferentes distâncias, alterando seu poder refrativo. Essa habilidade é conhecida como acomodação. A potência refrativa é alterada devido à contração e relaxamento do músculo ciliar. Quando o músculo ciliar se contrai, o cristalino engrossa e avança, aumentando seu poder refrativo ^1,2. O aumento do poder de refração permite que a lente se concentre em objetos próximos. À medida que os seres humanos envelhecem, a lente se torna mais rígida e essa capacidade de acomodação é gradualmente perdida; Esta condição é conhecida como presbiopia. O mecanismo de enrijecimento permanece desconhecido, pelo menos em parte devido às dificuldades associadas à caracterização biomecânica do cristalino.

Uma variedade de métodos tem sido empregada para estimar a rigidez e as propriedades biomecânicas do cristalino. Estes incluem fiação do cristalino ^3,4,5, métodos acústicos ^6,7,8, métodos ópticos como a microscopia de Brillouin ⁹, indentação^10,11 e compressão^12,13. A compressão é a técnica experimental mais acessível, pois pode ser realizada com instrumentação simples (por exemplo, lamínulas de vidro ^14,15) ou um único estágio motorizado. Mostramos anteriormente como as propriedades biomecânicas da lente podem ser rigorosamente estimadas a partir de um teste de compressão¹⁶. Esse processo é tecnicamente desafiador e requer softwares especializados não prontamente acessíveis a pesquisadores de lentes interessados em medidas de rigidez relativa. Portanto, no presente estudo, nos concentramos em métodos acessíveis para estimar o módulo de elasticidade da lente enquanto se leva em conta o tamanho da lente. O módulo de elasticidade é uma propriedade intrínseca do material relacionada à sua deformabilidade: um módulo elástico alto corresponde a um material mais rígido.

O ensaio em si é um ensaio de compressão de placa paralela e, portanto, pode ser realizado em sistemas de ensaio mecânico comerciais adequados. Aqui, um instrumento personalizado foi construído composto por um motor, estágio linear, controlador de movimento, célula de carga e amplificador. Estes foram controlados usando um software personalizado que também registrou o tempo, a posição e a carga em intervalos regulares. As lentes de porco não acomodam, mas são de fácil acesso e baratas¹⁷. O seguinte método foi desenvolvido para comprimir incrementalmente a lente ocular e quantificar seu módulo de elasticidade. Este método pode ser facilmente replicado e será útil no estudo da rigidez do cristalino.

Protocolo

Os olhos de porco foram obtidos de um matadouro local. Não foram necessárias aprovações de comitês de ética.

1. Dissecção do cristalino (Figura 1)

1. Remova todo o tecido circundante dos olhos de porco e o excesso de carne da esclera, até que apenas o nervo óptico permaneça. Use pinças curvas e pequenas tesouras de dissecção para completar este processo. Use o nervo como âncora para segurar o olho durante a dissecção.
2. Usando um bisturi, faça um corte circunferencial curto no limbo, depois outro no equador.
   NOTA: Esta etapa é realizada nesta ordem para evitar danificar a lente e a cápsula.
3. Insira microtesouras no corte no limbo e remova a córnea levantando a córnea com pinças finas de ponta romba enquanto corta ao redor da circunferência da córnea.
4. Remova a íris levantando usando pinças de ponta romba e corte com microtesoura.
5. Insira uma tesoura de dissecção no corte equatorial e, em seguida, corte circunferencialmente ao redor de todo o equador até que a esclera seja bissectada.
6. Uma vez concluído o corte, remova a porção posterior da esclera. Retire o vítreo suavemente com pinças, deixando o mínimo de resquícios para não danificar a lente. Se necessário, corte o humor vítreo coronalmente para permitir que o posterior se afaste do cristalino e do segmento anterior.
7. Faça um corte meridional através da esclera de anterior para posterior usando microtesoura.
8. Começando no novo corte meridional através da esclera, use microtesouras para cortar as zônulas longe da lente. Usando o peso da lente ou borda da placa de dissecção, estique suavemente as zônulas ao puxar a lente e a esclera ligeiramente afastadas, permitindo que a microtesoura corte entre a lente e o corpo ciliar, através das zônulas e ao redor da circunferência da lente. Isso isolará a lente sem danificar a cápsula da lente, se feito corretamente.
9. Se desejar, remova a cápsula usando pinça para perfurar a cápsula em seu equador e, em seguida, descasque a cápsula usando duas pinças.
10. Coloque a lente em solução salina tamponada com fosfato (PBS). Inspecione visualmente a lente em busca de qualquer dano antes do teste mecânico.

2. Compressão da lente com/sem cápsula da lente (Figura 2)

Observação : todas as etapas aqui, com exceção das etapas 2.1 e 2.4 são controladas por computador.

1. Obter ou construir um aparelho de compressão de placa paralela com uma célula de carga com capacidade de força de 50 gramas com capacidade para medir deslocamento da ordem de 1 μm.
2. Programe o estágio motorizado e carregue a célula para executar o regime de carregamento descrito abaixo (por exemplo, Arquivo Suplementar 1).
3. Quase encha uma caixa quadrada de 1 5/8 polegadas x 1 5/8 polegadas com PBS e coloque-a na plataforma de compressão.
4. Abaixe a placa superior em contato com a placa inferior para determinar o limite inferior de movimento e a altura absoluta do vão.
5. Eleve a placa superior em ~15 mm.
6. Centralize a lente na caixa, tomando cuidado para que o plano equatorial seja horizontal.
7. Abaixe a placa superior perto da superfície superior da lente, mas não em contato com ela.
8. Inicie o movimento para mover a placa superior em contato com a lente, usando feedback de força com um limiar de contato de 3 mN.
9. Iniciar o registro dos dados após a determinação do contato, tempo de registro, posição da placa superior em relação à placa inferior e força a 500 Hz.
10. Aplique uma carga de pré-condicionamento onde a lente é comprimida por 2,5% de sua altura inicial três vezes, depois 5% três vezes, depois 7,5% três vezes a uma taxa de 1%/s.
11. Mantenha a posição da placa superior constante por 1 min após o pré-condicionamento.
12. Aplicar uma compressão de 15% a uma taxa de 1%/s, seguida de descarga na mesma taxa.
13. Continue o movimento de descarga até que a placa superior tenha percorrido mais 2% da espessura da lente descarregada para longe da placa inferior para garantir que a lente seja desaderida da placa superior.

3. Estimativa do módulo de lente

1. Estimar a espessura da lente com base na folga do instrumento no ponto de contato. Alternativamente, use a análise de imagem para medir a espessura de uma fotografia tirada antes do teste.
2. Calcular o módulo elástico E utilizando o modelo de Hertz para compressão de uma esfera entre placas paralelas (equação [1]; Arquivo Suplementar 2).
   (1º)
   Onde R é o raio de curvatura no ponto de contato (assumido igual à metade da espessura da lente); F é a força de compressão relatada pela célula de carga; é a razão de Poisson (assumida igual a 0,5 correspondente a um material incompressível); e u é a aproximação descendente do estágio superior a partir do ponto de contato. Note que o módulo elástico e a razão de Poisson são propriedades do material que indicam respectivamente a rigidez intrínseca da lente e a compressibilidade relativa da lente.
   NOTA: Este método negligencia qualquer papel da cápsula da lente, mas leva aproximadamente em conta o tamanho da lente, permitindo a comparação entre espécies.

Resultados

Seis lentes porcinas foram comprimidas, primeiro com a cápsula intacta, depois após a remoção cuidadosa da cápsula. Os valores de espessura foram 7,65 ± 0,43 mm para as lentes encapsuladas e 6,69 ± 0,29 mm para as desencapsuladas (média ± desvio padrão). Um histórico de carregamento típico é mostrado na Figura 3. As curvas de força-deslocamento resultantes foram bem ajustadas pelo modelo de Hertz (i.e., apresentaram uma força proporcional ao deslocamento elevada à potência d...

Discussão

A compressão da lente é um método versátil para estimar a rigidez da lente. Os procedimentos descritos acima permitem a comparação entre lentes de diferentes espécies e diferentes tamanhos. Todas as deformações são normalizadas em relação ao tamanho da lente, e o cálculo do módulo elástico leva aproximadamente em conta o tamanho da lente. O módulo efetivo é consideravelmente maior do que o módulo relatado anteriormente para o cristalino porcino 4,7,11,19, pelo menos e...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Curved Medium Point General Purpose Forceps	Fisherbrand	16-100-110
Galil COM Libraries	Galil Motion Control
High Precision Scalpel Handle	Fisherbrand	12-000-164
Linear Stage	McMaster-Carr	6734K4 0.125"
Load Cell	FUTEK	LSB200-FSH03869
Load Cell Amplifier	FUTEK	IAA300-FSH03931
MATLAB	The Mathworks, Inc.
Microprobe	Surgical Design	22-079-740
Miniature Self Opening Precision Scissors	Excelta	63042-004
Motion Controller	Galil Motion Control	DMC-31012
Motor	Galil Motion Control	BLM-N23-50-1000-B
Straight Hemastats	Fine Science	NC9247203	stainless steel, 14cm